抗癌药物设计与运用的分子细胞学途径

1、 专家论坛抗癌药物设计与运用的分子细胞学途径 章静波(中国医学科学院中国协和医科大学基础医学研究所 , 北京 100005关键词 gleevec ; 抗癌药物 ; 癌症中图分类号 R97911;Q7 文献标识码 A 文章编号 1008-1372(2003 05-0577-03 每隔数年 , 总有人宣称 “ 神药” 的问药 , 它可以治愈 癌症 。 但是一次又一次地 , 在小鼠体内显示出奇迹般 疗效的神物 , 一旦用于临床实践 , 却又黯然失色 。 2001年 gleevec 的问世 , 不仅给人们带来了希望 , 更重要的 是启示人们要用新的思路寻找更有效的药物 。 1 “ 抗癌大战” 的回顾常

2、规的癌症化学治疗是自上个世纪 50年代开始 的 , 经过数十年的精细调整与临床实践 , 已扭转了人们 对某些恶性肿瘤治疗的悲观态度 , 现今对儿童白血病 的治愈率已高达 90%以上 。但是对于那些主要的癌 症杀手 , 像肺癌 、 乳腺癌 、 结肠癌 、 前列腺癌等的治疗几 乎没有取得什么实质性进展 , 即使患者对诸如化学治 疗 、 放射治疗有反应 , 通常也只表现为一个很短的缓解 期 , 而且即使如此 , 由于迄今大多数药物都是针对分裂 细胞 , 尤其是针对 DNA 合成的 , 因此这些治疗方法必 然伤及无辜的正常细胞或器官 , 尤其是骨髓 , 患者为此 付出的代价极高 。鉴于半个多世纪以来癌

3、症化学治疗在某些恶性肿 瘤的临床实践中取得的较好疗效 (例如对上述儿童白 血病的治疗 以及基础研究的进展 , 尤其是出于政治上 的需要 ,1971年 , 美国总统尼克松签署了 抗癌计划 , 掀起了一场 “抗癌大战” , 仅联帮政府的拨款就高达 460亿美元 1对于尼克松的抗癌计划不少科学家是怀有疑义 的 , 有人评论说 , 这不啻是科学上的 “ 越战” ; “ 犹如人们 陷入泥塘 , 一时难以自拔” 。 因为那时科学家已认识到 癌症不是 “ 只用单一的高技术硬件即可达到单一靶子 的” 。 癌症是一个 “ 狡猾的” 可变动靶子 , 它们是许多致 癌因子所引起的一组不同性质的疾病 , 也就是说 ,

4、 在绝 大多数病例中 , 癌症是一种获得性遗传性疾病 , 细胞要 累积一系列的突变 , 这样它们才能摆脱机体对它们的 增殖限制 。但是 , 尼克松的抗癌计划毕竟是有功绩的 , 它不但 促进了癌症的基础研究 , 更使科学家们逐一地揭示了 癌症的 “ 六大基石” 2。 2 癌症的六大基石要想对付癌细胞 ,章静波1938年 生 。 1961年 上 海 第 一医学院毕业 ,1965年中国医学 科学院研究生院毕业 。曾先后 在英国与加拿大从事肿瘤生物 学研究 。目前任中国医学科学 院研究员 、 博士生导师 , 兼任中 华医学会医学细胞生物学会副 主任委员 、 肿瘤学会委员 、 解剖学报 主编 、 世界医

5、学杂志 副 主编以及多个杂志的编委 。近 期代表作有 组织和细胞培养技 术 (主编 , 研究生规划教材 。 首先必须认清它们的庐山真 面 目 。著 名 科 学家 、 癌基因研究先驱之一 R. Weinberg 曾 在 世界权威杂志 Cell 上指出 :细胞只有获得六大性质之后才能成为恣意妄为的侵袭性细胞 , 这六大性质也就是癌症的恶性标记 。第一 , 细胞必须发生突变 , 也就是说它们必须经过遗传性质的变异 ; 第二 , 癌细胞必须有它们自己的生长信号途径而不依赖于外界的信号 ; 第三 , 它们必须摆脱一种称为 “ 细胞凋亡” 的生理学死亡过程 , 即它们再也不受细胞内原有的 “ 生命程序”

6、的安排而成为 “ 永生不死者” ; 第四 , 它们还要发展出无限增殖的 能力 。 例如正常细胞大约可分裂 70次 , 而成为恶性者 便能永久分裂下去 。这是因为正常细胞每分裂一次 , 它们染色体末端一种称为 “ 端粒” 的保护帽便会缩短一 些 , 并且随着分裂次数的增加 , 保护帽这种结构将丧失 殆尽 , 染色体得不到保护 , 导致细胞死亡 。 然而癌细胞 开发出一种端粒酶 , 它可以重建癌细胞的端粒 , 因此染 色体不会随细胞的分裂而变短 , 于是细胞便获得无限 分裂的能力 。 3还有两种性质仅适用于如肝癌 、 胃癌这样的实体 瘤 , 即肿瘤必须建立起它们自身的血管网络系统以便 得到足够的氧

7、气与营养的供应 , 科学家将这一复杂的机制称为 “ 血管形成作用 (angiogenesis ” 。一般说来该 过程需要许多特异生长因子 , 如血管内皮生长因子 (vascular endothelial growth factor ,VEG F 等的参与 。最 后 , 也是最危险的性质是癌症的组成细胞能够从主体 肿瘤中脱离并进入血流或淋巴系统 , 它们随着血流或 淋巴液到达远处组织 , 在那里生长 , 这一过程称为肿瘤 的转移 , 十之九的患者都死于这种过程 5。3 曲折的基因药物开发正如温伯格所指出的 , 细胞的癌变要有许多正常 事件发生错误才会发生 , 因此在整个生命过程中癌症 事实上是

8、少见的 , 早期诊断与治疗往往可以取得较好 的疗效 , 但是随着癌症的进展 , 突变在逐渐累积 。 儿童 白血病只是由较少的细胞突变所引起的 , 这一事实便 有助于科学家去探索为什么这种肿瘤对于化学治疗比 较敏感 。基于上述 , 人们在开发新的抗癌药物时应从多个 方面着手 , 首先应从癌基因所产生的蛋白质开始 。当 癌基因被激活时 , 它便会促进细胞的生长和分裂 。 Ras 是 1982年克隆出来的一种人类癌基因 , 大约在 30%的 人类癌症中它是有突变的 , 也就是说它一直处于 “开 启” 状态 , 不断地释放出生长信号 , 使得细胞疯狂地增 殖 。不幸的是 ,ras 的发现并未能促使它在

9、临床上广泛 应用 。 有数家医药公司曾以 ras 为药靶生产癌细胞抑 制剂 , 可惜临床试验的结果总是不理想 。然而最早克 隆出 ras 的西班牙学者 M. Barbacid 却没有放弃 , 他决 心继续从事 ras 药靶的研究 。迄今他与马德里 9家医 院有着协作关系 , 并且建立了肿瘤标本库 , 目前该库已 收集了 2000份标本 , 另外还筹办了拥有 10万只小鼠 的标准动物房 , 他认为他们 “ 已打开了通往治愈肿瘤的 大门” 。与 ras 情况相似的还有另外一种在因 , 即突变了 的 p 53基因 。 在正常情况下 ,p 53可产生一种抑制细胞生 长的蛋白质 , 但是如果 p 53突

10、变或是丢失 , 它便失去了 这种抑制作用 。 同样不幸的是 ,p 53基因所产生的蛋白 质也并不能成为很好的抗癌药物 , 因为它们在体内很 快被破坏 。 因此科学家们目前正试图在肿瘤抑制基因 (如正常的 p 53 失活时 , 立即阻断分子信号途径中的关 键蛋白 , 从而防止细胞进一步恶化 。其机理在于与癌 症发生有关的许多基因都与数种信号途径相互作用 , 例如 p 53可以促进细胞凋亡以及激活 DNA 修复 , 还可 能抑制血管形成 。另外 , 许多癌基因可以编码一种称 为酪氨酸激酶的酶类 , 该类酶能将一个磷酸盐基团加 到蛋白质上从而传达信号 。 1虽然人们对癌基因与细胞信号途径的相互作用有

11、 一定的了解 , 但是药物的开发总是滞后于癌基因作用 的研究 , 科学家往往只对识别的基因感兴趣 。但是 Barbacid 却主张 “将我们获得的知识服务于病人” , 他 对编码酪氨酸的癌基因最感兴趣 。 他们认识到小分子 物质可以阻断特异性的酶靶子 , 并且已经制备出十几 个酪氨酸激酶抑制剂用于临床试验 , 其中 G leevec 是最 成功的 。4 癌症的 “ 鸡尾酒” 疗法G leevec 最初是作为血小板生长因子受体特异性 抑制剂而设计的 , 它作用于酪氨酸激酶 , 用于某些癌症 的治疗 , 其中对儿童白血病治疗效果最好 。后来发现 该药物与另外两个癌基因即 BCR -ABL 和 c

12、-KIT 所 产生的蛋白质有作用 。 BCR -ABL 是由 ABL 和 BCR 基因序列融合而引起的突变体 , 它是 C M L 的激发因 子 , 导致一种称为费城染色体的染色体缺陷 , 也就是患 者的第 22号染色体比正常者短了一截 。自 2001年 5月由美国食品和药品管理局 (FDA 批 准后 , 良好的临床效果使得 G leevec 的使用范围在 2002年 2月扩大到一种罕见的恶性肿瘤 , 即消化道基质肿 瘤 (gastrointestinal stromal tum or , GIST , 该肿瘤是由 c -KIT 突变所引起 。由于 GIST 是由单个基因突变引起的 , 因此

13、GIST 和 C M L 均是 “ 易对付” 的癌症 , G leevec 有较好的疗效 , 但是对于那些有多个突变的恶性肿瘤以及 C M L 后期 的暴发性危象 , 则只有 2/3的病人对 G leevec 有反应 , 这是由于 C BR -ABL 又发生了突变或过分表达 , 不再 受 G leevec 的作用 。 然而仍有某些癌症 , 例如非小细胞 性肺癌在对其它药物无效时对 G leevec 仍有一定的反 应 。有鉴于癌症的形成是一系列基因突变所致 , 因此 正如美国国家肿瘤研究所 E. Sausville 提出的 “癌症的 治疗 如艾滋病 , 单独使用一种药物效果很差 , 而联合 应用

14、时作用很强 , 因此对于癌症的治疗也应采取 “ 鸡尾 酒疗法” 。1998年 , 纽约时报头版头条曾大张旗鼓地宣扬一 种称为血管生成抑制剂的药物 , 认为它可以阻断肿瘤 血管的形成 , 从而 “饿死” 癌细胞 。但是临床试验却令 人失望 , 因为癌细胞很容易避开血管的阻断途径来发 展自己 。 同样 , 人们也曾寄希望于端粒酶抑制剂 , 不幸 的是它对骨髓干细胞的毒性很大 , 因为骨髓细胞的生 长也需要端粒酶的帮助 。 至于阻断转移作用的基质金 属蛋白酶抑制剂 (matrix metalloproteinase inhibitors 的临 床试验也同样以效果不佳告终 5。G leevec 的成功

15、给人们以启示 , 即要在癌细胞代谢 途径的多个甚至成打的位点上阻断其通道 , 因此鸡尾 酒疗法可以包括血管生成抑制剂 、 端粒酶抑制剂在内 的多种药物的协同作用 。另外 , 对于某些特殊种类的 癌症还需要寻找特异性的药物 , 也就是说要在分子水 平上找出特异肿瘤的特异改变 , 并以此作为药靶才能 取得应有的疗效 。5 分子 、 细胞 、 病理信息的重要性信息时代的到来使人们愈来愈认识到数据库的重 要性 , 它可贮存大量有关基因和蛋白表达 、 基因突变和 静息 (silencing , 以及诸如疾病进展速率和对药物反应 之类的临床资料 。通过这些资料 , 让人们感到惊讶的 是以往被看作相同的癌症

16、类型事实上是互相不同的分 子疾病 。 为此我们应对肿瘤再次审视 , 重新分类 。例 如用 DNA 微阵列技术观察到一种称为弥散性大 B 细 胞淋巴瘤以及乳腺癌皆可以细分成亚组 , 它们之间的 基因表达谱是十分不同的 , 而且这种差异还与疾病的 治疗和进展相关 。临床试验显示 ,11%对 Iressa 有反 应的肺癌中有着特异的分子表达谱 , 其它 90%的分子 表达谱则与此不同 。分子表达谱一方面可以帮助临床医生更有效地使 用现有的抗癌药物 , 医生们只要将已有的有关分子谱 型的资料与临床治疗效果比较一下 , 便能识别出哪些 病人可在术后因化学治疗而获益 , 从而避免采用痛苦 的 、 甚至无效

17、的治疗方案 。 另一方面 , 以往以肿瘤体积 缩小作为治疗终点 , 现在看起来不仅太粗 , 而且太晚 。 分子表达谱的运用可以早期诊断癌症 , 而这些标记 (多 为蛋白质 可以在诸如血液 、 粪便 、 尿液 , 甚至脱落的皮 肤细胞中检测出来 。 2001年医学或生理学诺贝尔奖 得主 L. Hartwell 极力主张进行分子表达谱的分析 , 因 为早期癌症的治愈率是很高的 , 而晚期治愈率很低 。 除了分子表达谱之外 , 细胞系 (cell line 也是一个 宝库 。 美国国家癌症研究所的分子药理学家 J. Weis 2 tein 正在从事 60个标准癌细胞系的基因和蛋白质表达 的分析 ,

18、迄今曾用这些细胞进行了 70000种不同药物 的检测 。 威斯坦指出 , “ 洞悉基因与蛋白质表达谱的改变 , 我们便可知道哪类药物可以纠正哪类特殊分子表 达谱的改变 , 或者哪类药物的治疗效果更好 。 ” 例如左 旋天冬酰胺酶 (L -asparaginase 用于治疗急性成淋巴 细胞的白血病 (A LL 疗效极好 , 这是因为它能破坏血 液中的左旋天冬酰胺 , 而 A LL 细胞是不能自身提供这 种氨基酸的 , 因此一旦切断天冬酰胺的血液供应 , 癌细 胞便会死亡 。 科学家还发现 , 卵巢癌细胞系也存在与 A LL 相似的基因表达谱 , 这提示卵巢癌也是对 L -天 冬酰胺酶敏感的 。除了有助于肿瘤治疗外 , 分子表达谱给出的信息 可以使肿瘤的早期诊断方法更加简单 。著名科学家 Weistein 等认为在未来的 20年内 , 细胞生物学家必然 绘制出一个完整的细胞信号途径图 , 让我们一目了然 地看出细胞中的哪个特殊基因发生了紊乱 , 它如何引 发癌症 , 以及如何用药物来干预或纠正信号途径中的 关键蛋白质错误 , 从而治愈癌症 。 16 结语自 1971年尼克松提出抗癌计划